高氮有机废弃物厌氧消化过程中经常出现氨氮抑制甲烷生成的现象。例如养殖业废弃物中的禽畜粪污，在厌氧发酵过程中会产生大量氨氮，抑制产甲烷过程。因此，中国科学院青岛生物能源与过程研究所工业生物燃气研究中心探索了氨氮抑制厌氧消化产甲烷的机理以及缓解策略，旨在为高氮含量固体废弃物的高效能源化利用和工艺优化提供理论指导。
在厌氧消化过程中通常认为氨氮抑制产甲烷古菌的代谢，本团队研究人员从单一的底物代谢水平直接验证了氨氮对水解酸化过程的抑制机理。从发酵参数和宏转录组水平分析，在导致产甲烷活性半抑制的氨氮浓度下（IC50 = 1500 mg/L），丙酸和正丁酸的生物转化受到抑制，但乙酸转化为甲烷的生物转化并未受到显著影响（Feng et al., ACS EST Engg. 2023）。微生物群落分析表明，丙酸和丁酸降解菌的数量并未受到低氨氮抑制浓度的影响，古菌的组成也基本相似。然而宏转录组学分析发现，催化丙酸或丁酸降解的特定关键酶均受到氨毒性的影响，其丰度低于对照组的40%。此外，在氨胁迫下，RNA聚合酶亚基（M、α、β）、ATP聚合酶亚基（I、A、D）和与核糖体亚基有关的基因（L5、L6、L10、L11、S7、S11）的表达水平显著下降。氨毒性导致微生物 DNA 损伤，从而导致SOS应答机制相关蛋白（LexA、RecA）的表达增加（图1）。本研究为后续研究缓解氨氮抑制方法的应用提供了理论依据。
图1 半抑制浓度下氨氮对厌氧消化的抑制机理
在研究缓解氨氮抑制策略方向，先前研究证明含铁材料的添加可有效缓解氨氮对产甲烷的抑制。然而，不同形态的含铁材料对厌氧消化的影响机制区别尚未被揭示。本团队研究人员分别探究了自由态铁离子FeCl3和磁性铁Fe3O4缓解氨氮抑制的效果，并从宏转录组水平揭示了其不同的缓解机制（Dai et al., ACS EST Engg. 2024）。结果表明，在3 g/L的氨浓度下，加入等物质的量的FeCl3和Fe3O4（0.43 mM）均提高了甲烷的累积产量。此外，添加含铁物质缓解了由氨氮抑制引起的挥发性脂肪酸（VFAs）和胞外聚合物（EPS）积累，对电子传递能力也有显著的积极影响。宏转录组学分析显示，FeCl3和Fe3O4的添加均增强了细胞的基础代谢和能量供应，以及微生物的电子传递和甲烷生成相关的酶的活性（图2）。然而，两种含铁材料表现有不同的缓解机制，添加自由形态的铁离子（FeCl3）可以缓解氨氮对互养丙酸和互养乙酸氧化细菌的抑制，通过刺激c型细胞色素的合成增强DIET，促进甲烷的生成；而Fe3O4通过刺激产甲烷相关基因的表达以及作为电容器促进电子传递来加速甲烷的生成。
图2不同形态铁材料缓解氨氮抑制厌氧消化机制区别揭示
相关研究成果“Ammonia Stress on Anaerobic Digestion: The More Sensitive Propionic/Butyric Acid-Degrading Bacteria over Methanogens”（冯凯硕士为第一作者）和“Distinct Mechanisms between Free Iron Species and Magnetite Addition in Anaerobic Digestion on Alleviating Ammonia Inhibition”（戴晓凤博士为第一作者）均发表在ACS ES&T Engineering杂志，连淑娟副研究员和付善飞研究员为共同通讯作者，该工作获得国家自然科学基金青年项目、山东省自然科学基金青年项目和青岛市自然科学基金青年项目的资助。(文/图 连淑娟、戴晓凤)
文章链接：
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsestengg.4c00171
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsestengg.3c00411
